基于半峰寬的發(fā)光二極管結(jié)溫測(cè)量方法

蔣福春， 何思宇， 劉遠(yuǎn)海， 劉 文*， 柴廣躍, 2， 李百奎， 彭冬生

1. 深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院， 廣東 深圳 518000 2. 深圳技術(shù)大學(xué)新能源與新材料學(xué)院， 廣東 深圳 518000

引 言

由于功率型LED本身具有諸多優(yōu)點(diǎn)， 其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。 而目前LED工作時(shí)仍有大量的能量轉(zhuǎn)變成了熱能， 使得LED結(jié)溫過高， 從而引起光衰、 發(fā)光效率降低、 顏色偏移、 壽命縮短、 降低可靠性等各種問題[1-2]， 所以降低其結(jié)溫已成為研究的熱點(diǎn)， 如何科學(xué)地測(cè)量LED結(jié)溫成了問題的突破口[3-5]。 目前國際上公認(rèn)的LED結(jié)溫標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法是正向電壓法[6]， 但對(duì)于成品LED燈具而言， 在測(cè)量時(shí)很容易受到LED封裝結(jié)構(gòu)及燈具外殼的限制， 一般很難實(shí)現(xiàn)LED引腳上兩端電壓的精確測(cè)量， 并且其測(cè)量條件是在極小電流狀態(tài)下進(jìn)行， 而且結(jié)電壓與結(jié)溫的線性關(guān)系在高溫端要優(yōu)于低溫端， 從而引起測(cè)量誤差， 無法及時(shí)有效掌握LED結(jié)溫， 這些問題使得正向電壓法的應(yīng)用受到一定程度的限制[7]。 目前已報(bào)道過的管腳溫度法、 紅外熱成像法、 藍(lán)白比法[8]等其他LED結(jié)溫測(cè)量方法在某種程度上均受到一定的約束， 如藍(lán)白比法是利用白光LED的發(fā)光光譜分布來測(cè)量結(jié)溫， 最大優(yōu)點(diǎn)是不需要破壞器件的整體性， 是一種非接觸式的結(jié)溫測(cè)量方法， 但隨著結(jié)溫度升高， 藍(lán)光LED芯片發(fā)光和熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度都會(huì)下降， 而且熒光粉的下降更為顯著， 從而使白光光譜中藍(lán)光的比例發(fā)生變化， 該方法的缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)單色LED結(jié)溫的測(cè)量和測(cè)量結(jié)果隨著結(jié)溫的升高而大幅下降。

本文以1 W大功率LED器件為研究對(duì)象， 通過分析其在不同結(jié)溫下的相對(duì)發(fā)光光譜數(shù)據(jù)， 建立起功率型LED光譜的半峰寬與結(jié)溫的內(nèi)在聯(lián)系， 提出了一種基于半峰寬的非接觸式LED結(jié)溫的測(cè)量方法。

1 理論部分

對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體來說, 發(fā)光光譜峰值波長(zhǎng)與其禁帶寬度存在一定的關(guān)系[9], 而對(duì)主流的GaN進(jìn)行摻雜后的直接帶隙材料來說, 峰值波長(zhǎng)由電子陷阱發(fā)光中心的位置決定[10]。 當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)， 其禁帶寬度， 熒光粉的禁帶寬度以及禁帶中的能級(jí)位置都要受到芯片p-N結(jié)溫度的影響， 而參與電子-空穴復(fù)合的能帶有一定的寬度, 不是能級(jí)之間的載流子復(fù)合發(fā)光， 因此導(dǎo)帶底附近和價(jià)帶頂附近的能態(tài)都會(huì)對(duì)發(fā)光有一定的貢獻(xiàn)， 這便造成了發(fā)光管的發(fā)射光譜較寬， 所以溫度對(duì)禁帶寬度的影響最終導(dǎo)致LED芯片產(chǎn)生的光譜發(fā)生變化， 從而熒光粉的光致發(fā)光光譜同樣發(fā)生變化[11]， 這樣就造成整個(gè)輻射光譜中半峰寬會(huì)隨著溫度的變化而變化[12]。 隨著溫度的變化LED光譜中存在著FWHM與之相應(yīng)的發(fā)生變化， 這種變化是與結(jié)溫息息相關(guān)的， 因此在理論上可以通過FWHM的變化來表征結(jié)溫的變化。

2 實(shí)驗(yàn)部分

為了測(cè)量LED器件的P-N結(jié)溫度， 將LED器件放置于一個(gè)恒溫腔中， 并在器件基板背面放置一個(gè)用于溫度檢測(cè)的探頭， 再將整個(gè)恒溫箱裝置放置于一個(gè)與光譜特性分析儀相連接的積分球中， 光譜特性分析儀采集到從積分球中傳輸過來的LED光譜信息。

工作過程： (1) 通過恒溫腔自動(dòng)溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)腔內(nèi)環(huán)境溫度， 一定時(shí)間后使放置于腔內(nèi)的LED器件的溫度達(dá)到平衡。 對(duì)待測(cè)LED器件施加相應(yīng)的工作電流， 并通過光譜分析儀快速得到初始電壓， 初始主波長(zhǎng)， 初始光譜圖等數(shù)據(jù)。 雖然開始瞬間(秒內(nèi))驅(qū)動(dòng)電流對(duì)被測(cè)器件本身的自加熱效應(yīng)非常少, 但LED器件的P-N結(jié)溫度仍有少量溫升。 由于每次光譜儀的反應(yīng)時(shí)間是固定的， LED器件在同一驅(qū)動(dòng)電流下， 其結(jié)溫增加量是相同的， 為了減少結(jié)溫的升高, 我們將計(jì)算出來的FWHM值作差， 從而可幾乎可以消除自加熱效應(yīng)的影響。 (2) 在保持恒流驅(qū)動(dòng)不變的情況下， 改變恒溫腔的溫度重復(fù)上述過程， 得到一系列的光譜數(shù)據(jù)； (3) 分析各光譜數(shù)據(jù)， 得到相應(yīng)的特征波峰的半峰寬(full width half maximun， FWHM), 發(fā)現(xiàn)各半峰與結(jié)溫度Tj按一定的函數(shù)關(guān)系Tj=f(FWHM)線性變化。 (4) 對(duì)待測(cè)LED在正常工作狀態(tài)下得出光譜數(shù)據(jù)， 得出其對(duì)應(yīng)的半峰寬， 通過關(guān)系式Tj=f(FWHM), 得出在相應(yīng)工作狀態(tài)下的結(jié)溫。

采用杭州遠(yuǎn)方光電的ATA-500光譜分析系統(tǒng)采樣各色LED的在不同溫度下的光譜數(shù)據(jù)。

2.1 方法

此類實(shí)驗(yàn)裝置類似于常規(guī)的采用電壓方法測(cè)量LED結(jié)溫裝置。 對(duì)四種具有不同峰值波長(zhǎng)的LED樣品進(jìn)行分別測(cè)試。 這些LED樣品分別用來確定結(jié)溫與半峰寬(FWHM)的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)所有影響LED器件結(jié)溫的因素均加以控制。 基于半峰寬的LED結(jié)溫非接觸式測(cè)量法整個(gè)過程分為擬合， 定標(biāo)和測(cè)量三部分， 定標(biāo)的目的是得到樣品的結(jié)溫Tj與其發(fā)光光譜半峰寬的函數(shù)關(guān)系Tj=f(FWHM), 稱為定標(biāo)函數(shù)， 具體測(cè)試步驟如下： (1)將待測(cè)LED樣品安裝在溫控器上， 并均勻涂覆一層導(dǎo)熱硅脂， 保持良好的熱接觸； (2)將溫控器的環(huán)境設(shè)定為T1， 穩(wěn)定一段時(shí)間(30 min以上)， 使得LED樣品與基座之間達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡。 (3)給LED器件的電流設(shè)定為正常的工作電流(如350 mA), 并快速(秒鐘內(nèi))測(cè)量其發(fā)光光譜數(shù)據(jù)， 經(jīng)過分析計(jì)算得到了在結(jié)溫T1下的FWHM。 (4)改變溫控器為其他溫度Ti(i=2, 3, …), 重復(fù)步聚3， 得到其他結(jié)溫度下同一電流對(duì)應(yīng)的FWHM。

定標(biāo)： 由于所有光譜儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)均是離散， 例如大多數(shù)光譜儀的測(cè)量步徑為1 nm， 而在不同結(jié)溫Tj下FWHM相差并不太大， 在計(jì)算FWHM時(shí)需要對(duì)原始的光譜數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進(jìn)行線性擬合， 這就完成光譜數(shù)據(jù)的擬合， 這也是相當(dāng)關(guān)鍵的一步， 否則會(huì)影響后面的定標(biāo)的精度。 當(dāng)選擇的溫控溫度比較多時(shí)， 通過將Tj～FWHM數(shù)據(jù)擬合， 就能等到該樣品Tj和FWHM兩者的函數(shù)關(guān)系。

為了消除自加熱效應(yīng)和溫控系統(tǒng)精確度的影響， 我們選定某一腔體溫度下的該LED器件的Tjb和FWHMb作為基準(zhǔn)， 將每次測(cè)出的Tj和FWHM分別與基準(zhǔn)作差， 得到ΔTj=f(ΔFWHM)的函數(shù)關(guān)系， 完成了樣品的標(biāo)定過程。

測(cè)量： 得到實(shí)際LED正常工作時(shí)的任一結(jié)溫Tjspec， 步驟如下： (1)用光譜儀測(cè)量待測(cè)條件下LED光譜分布， 計(jì)算出FWHM; (2)將上一步測(cè)得的FWHM值與基準(zhǔn)FWHMb作差得到ΔFWHM。 (3)將計(jì)算出的ΔFWHM， 代入到定標(biāo)函數(shù)ΔTj=f(ΔFWHM), 便得到了此時(shí)的真實(shí)結(jié)溫Tjspec=Tjb+ΔTj=Tjb+f(ΔFWHM)

2.2 樣品選擇

為了說明這種測(cè)試方法的普適性 ， 我們隨機(jī)在市面上選擇了各種顏色各廠家的LED 5只。 實(shí)驗(yàn)前均在LED基板上均勻涂覆一層導(dǎo)熱硅脂， 環(huán)境溫度為25 ℃， LED的驅(qū)動(dòng)電流為350 mA。

2.3 儀器與參數(shù)

采用杭州遠(yuǎn)方公司的ATA-500型自動(dòng)溫控光譜測(cè)試系統(tǒng)， ATA-500能夠正常的測(cè)量在不同的溫度下光譜數(shù)據(jù)， 可精確到0.2 nm。

自動(dòng)溫控光譜測(cè)試系統(tǒng)由WY305型高精度恒流電源， CL-200溫控器， 積分球和ATA-500型光譜儀組成， 連接方式如圖1所示。 其中WY305型高精度恒流電源給待測(cè)LED提供恒流驅(qū)動(dòng)， 電流誤差為±1 mA； 溫控器給LED提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度， 誤差為±0.1 ℃， 積分球上開有兩個(gè)孔， LED安置在溫控器上并通過一只孔伸入積分球內(nèi)壁； 光譜儀探頭通過另一只孔伸入積分球內(nèi)， 以便測(cè)量LED的光譜分布。

圖1 自動(dòng)溫控光譜測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)定過程， 通過溫控器選擇溫度為5～85 ℃， 間隔溫度為10 ℃， 每一間隔溫度穩(wěn)定30 min， 使開始給LED通以驅(qū)動(dòng)電流， 以便LED達(dá)到熱平衡狀態(tài)， 然后快速測(cè)量其發(fā)光光譜數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

應(yīng)用上述方法， 對(duì)多種顏色的大功率LED進(jìn)行了光譜測(cè)試， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。

3.1 大功率單色LED

對(duì)一大功率藍(lán)光LED進(jìn)行了光譜數(shù)據(jù)測(cè)量， 并對(duì)在不同溫度下的FWHM進(jìn)行擬合， 得到定標(biāo)函數(shù)， 數(shù)據(jù)如表1。

表1 藍(lán)光不同溫度下的FWHM

將表1的數(shù)據(jù)通過二維坐標(biāo)呈現(xiàn)并擬合(見圖2和圖3)。

圖2 藍(lán)光LED Tj vs FHWM函數(shù)曲線圖

通過原始的FWHM作圖， 并進(jìn)行線性擬合， 得到原始的Tj-FWHM函數(shù)y=8.897 3x-197.1其中R2=0.996 5， 其線擬合線性度相當(dāng)高； 而我們通過原始的光譜數(shù)據(jù)擬合計(jì)算后， 再通過作圖進(jìn)行線性擬合， 得到其函數(shù)y=8.874 8x-197.19，R2=0.997 1，R2更接近1， 比原始的數(shù)據(jù)得出的函數(shù)線性度更好， 說明擬合的結(jié)果符合線性關(guān)系。 我們選定室溫(25 ℃)為基準(zhǔn)狀態(tài)， 得到表2。

將表2的數(shù)據(jù)通過二維坐標(biāo)呈現(xiàn)并擬合如圖4。

圖3 藍(lán)光LED Tj vs FHWM(擬合)函數(shù)曲線圖

表2 藍(lán)光LED不同溫度差ΔTj下的ΔFWHM

圖4 藍(lán)光LED定標(biāo)函數(shù)曲線圖

通過圖4的線性擬合得到此次的藍(lán)光定標(biāo)函數(shù)y=8.595 3x, 其中R2=0.994 7, 發(fā)現(xiàn)R2同樣接近1， 說明擬合的結(jié)果符合線性關(guān)系。 通過此定標(biāo)函數(shù)， 只要簡(jiǎn)單測(cè)量在任一穩(wěn)定態(tài)下的發(fā)光光譜的FWHM與基準(zhǔn)狀態(tài)下的FWHMb作差得到ΔTj， 代入定標(biāo)函數(shù)就可以到得相應(yīng)的結(jié)溫差， 真實(shí)結(jié)溫Tjspec=Tjb+ΔTj=Tjb+f(ΔFWHM)， 操作簡(jiǎn)單， 方便可行。

同樣我們隨機(jī)選取了綠光和紅光大功率LED作測(cè)試， 得到的定標(biāo)圖如圖5和圖6。

得到了綠光和紅光的Tj-FWHM函數(shù)分別為y=23.114x-817.02，R2=0.996 8和y=18.496x-328.29，R2=0.977 6，R2均更接近1。

3.2 大功率白光LED(WLED)

由于白光是一種復(fù)合光， 我們采取類似的方法從25 ℃開始間隔5 ℃測(cè)量取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)得到光譜數(shù)據(jù)， 并計(jì)算出主峰對(duì)應(yīng)的FWHM， 得到如表3數(shù)據(jù)。

圖5 GLED Tj vs FHWM函數(shù)曲線圖

圖6 RLED Tj vs FHWM函數(shù)曲線圖

表3 白光LED在不同溫度差ΔTj下的ΔFWHM

得到的標(biāo)定圖如圖7所示。

圖7 WLED Tj與FHWM函數(shù)曲線

由于本次測(cè)量的溫度間隔更小， 得到白光LED(WLED)的Tj-FWHM函數(shù)y=8.031x-183.4，R2=0.999,R2更接近1， 線性擬合度更好。

通過上述三種單色光和白光LED均得到線性度較好的定標(biāo)函數(shù)， 后續(xù)測(cè)量均只需簡(jiǎn)單測(cè)量發(fā)光光譜的FWHM與基準(zhǔn)狀態(tài)下的FWHM作差， 代入定標(biāo)函數(shù)中， 即可得到相應(yīng)的結(jié)溫差， 即可快速得出真實(shí)的LED結(jié)溫。

為此我們將上述的白光LED在室溫環(huán)境下以350 mA的驅(qū)動(dòng)電流點(diǎn)亮120 s， 采用上述方法得出的結(jié)溫是93.6 ℃， 用Mentor Graphics公司的T3Ster測(cè)出的結(jié)溫是96 ℃， 與T3Ster測(cè)量的結(jié)果相差了2.5%， 說明此方法可行。

4 結(jié) 論

采用了光譜半峰寬測(cè)量LED結(jié)溫， 不論是各種顏色的單色光LED還是復(fù)合的白光LED均可采用此種方法, 比傳統(tǒng)的峰值波長(zhǎng)法， 相對(duì)光譜強(qiáng)度法具有更好的線性擬合度， 精度更高； 并將結(jié)果與Mentor Graphics公司的T3Ster測(cè)出的結(jié)果進(jìn)行了比較， 說明此方法完全可行。 由于本方法采用非接觸測(cè)量， 保持了光譜法測(cè)量不破壞燈具結(jié)構(gòu)， 高效直觀的特點(diǎn)， 不需要昂貴的儀器設(shè)備， 是一種實(shí)用的LED結(jié)溫測(cè)量方法。